層合板斜面形膠接挖補修理力學性能試驗研究①

杜 宇，楊 濤，牛雪娟，劉詩琪

(1.天津市現代機電裝備技術重點實驗室, 天津 300387；2.天津工業大學 機械工程學院, 天津 300387)

0 引言

復合材料具有比強度、比剛度高、可設計性強、疲勞性能好和耐腐蝕等許多優異性能[1-2]，近年來在現代飛機結構中所占比重越來越大，復合材料飛機結構的修理與評估技術成為復合材料技術研究的重要方面之一[3]。補片膠接修理主要分為補片貼補修理和補片挖補修理，貼補修理主要用于較薄結構或暫時性修理的試件，為臨時修理。而挖補修理通常用于較厚結構或永久性修理的試件，為永久修理。補片挖補修理后構件強度高，能夠保持原有結構的氣動外形等特點，廣泛用在航空飛機結構的修理中[4]。

國內外學者對復合材料挖補修理性能及分析方法進行了研究[5-9]。Fredrick-son[10]和Mollenhauer[11]建立了復合材料層合板階梯式挖補修理結構的三維有限元模型，研究了自由邊膠層的應變分布，并運用實驗方法驗證有限元模型的正確性。Wang[12]分析了鋪層結構、層合板厚度以及膠層的塑性對斜面式挖補修復效果的影響，提出了采用最大塑性應變準則進行斜面式挖補修復設計的方法。郭霞等[13]研究了穿透型損傷層合板斜面挖補修理后的拉伸性能，運用試驗和有限元的方法分析了挖補斜度、覆蓋層數對其拉伸性能的影響，計算結果與試驗結果吻合較好。苗學周等[14]建立了不同補片形狀的挖補修理的有限元模型，并對補片的形狀和尺寸進行了優化設計。朱書華等[15]建立了復合材料層合板階梯形挖補膠接修理構型的漸進損傷分析三維有限元模型，同時考慮了復合材料母板、補片和膠層的損傷擴展以及它們之間的相互影響。目前，復合材料層合板膠接挖補修理的研究主要集中在有限元分析并用試驗方法進行驗證，而挖補修理的工藝參數對其力學性能影響的試驗研究相對較少。因此，本文重點討論挖補修理的工藝參數對其拉伸和彎曲強度的影響。

層合板斜面形膠接挖補修理后強度恢復率主要影響因素有鋪層角度、挖補斜度和膠粘劑。本文主要研究斜面形挖補修理后層合板的力學性能，重點討論不同挖補斜度、鋪層角度對修理后層合板的拉伸強度和彎曲強度的影響，修理后試件強度與完好試件進行對比，以了解影響因素的作用及挖補修理的恢復效率，所得試驗結果可為實際挖補修理工藝優化提供依據和指導。

1 試驗

1.1 試件制備

試件采用SK化工(青島)有限公司的TR50碳纖維預浸料制備，碳纖維的密度1.77 g/cm3。層合板的鋪層數為16，每層厚度為0.125 mm。層合板采用模具熱壓成型的方法，具體操作是將脫模劑涂抹于模具腔內，放入鋪設完整的碳纖維預浸模壓料，合上模具，置于模壓成型機。緩慢施加壓力到0.5 MPa，升溫速度為3 ℃/min，第一階段溫度設定為100 ℃，保持1.5 h，第二階段溫度設定為135 ℃，保持3 h。保持壓力自然冷卻到60 ℃以下，卸壓，脫模，打磨毛邊，成型制備出碳纖維層合板。粘接面用#400砂紙進行打磨，然后用丙酮清洗干凈，用Araldite@2015膠粘劑進行粘接，在0.3 MPa的壓力下，常溫固化24 h。斜面形挖補修理層合板的結構示意圖如圖1所示。

圖1 挖補修理試件幾何構型

為研究鋪層角度和挖補斜度對層合板力學性能的影響，采用[0/90]4S和[±45]4S兩種鋪層方式下的層合板，挖補補片與母版同材料、同鋪層角度；選取四種不同挖補斜度，分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25。

1.2 試驗條件及測試方法

拉伸試件的尺寸為250 mm×25 mm×2 mm (L×W×H)(ASTM D 3039)，加載速度為2 mm/min，試件兩端粘貼50 mm×25 mm×2 mm的鋁制加強片；彎曲試驗的跨距S由跨厚比S/H計算，S/H的選擇應考慮挖補修理區域最大長度的影響，彎曲試件選擇最大的跨厚比60∶1，故彎曲試件的尺寸為170 mm×12 mm×2 mm(L×W×H)(ASTM D 790M)，加載速度為2 mm/min，載荷的加載面為圖1的上表面。拉伸和彎曲實驗在日本島津的AG-50KNE型萬能試驗機上進行。采用位移單向控制，實驗在室溫準靜態拉伸載荷下進行。

2 試驗結果與討論

2.1 拉伸試驗

圖 2為[0/90]4S和[±45]4S鋪層的試件在拉伸載荷條件下，不同挖補斜度試件典型的外加載荷與位移的曲線圖，外加載荷先隨著位移的增加而增大，達到最大載荷時，發生了膠層失效和纖維撕裂，逐漸失去承載能力，外加載荷發生突降，逐漸減少。

(a)[0/90]4S specimens (b)[±45]4S specimens

隨著挖補斜度的增大，最大拉伸載荷值也隨著增加。主要由于隨著挖補斜度的增大，粘合區域面積也逐漸增加，剝離應力逐漸減小，載荷主要以剪切應力進行傳遞，剪切應力分布在整個試件的粘合區域。因此，最大失效載荷值也隨之增加。

根據試件的橫截面積和失效載荷計算出拉伸強度，并與完好試件的強度進行對比，得到修理后試件拉伸強度修理恢復率即修理后試件拉伸強度/完好試件拉伸強度×100%，如表1所示。

表1 試件拉伸強度修理恢復率

從表1中可看出，隨著挖補斜度的增大，拉伸強度恢復率也隨之增加，主要由于粘合區域面積逐漸增大，膠層的承載能力越大，修理后試件的拉伸強度也越大。[0/90]4S和[±45]4S鋪層的試件，當斜度為1∶10時，修理恢復率最低，分別為16.63%和45.55%；當斜度為1∶25時，修理恢復率最高，分別為50.75%和69.89%，均未超過完好試件的拉伸強度。[±45]4S鋪層試件修理恢復率明顯超過[0/90]4S鋪層的試件，主要由于[0/90]4S鋪層試件，0°鋪層是主受力層，0°纖維受到破壞，導致整個試件的強度降低，使得[0/90]4S鋪層試件的修理恢復率相對較低。

2.2 彎曲試驗

圖 3為[0/90]4S和[±45]4S鋪層的試件在彎曲載荷條件下，不同挖補斜度試件典型的外加載荷與撓度的曲線圖。隨著挖補斜度的增大，最大彎曲載荷值也隨著增加。

(a)[0/90]4S specimens (b)[±45]4S specimens

根據試件的寬度、厚度、跨距和失效載荷計算出彎曲強度，并與完好試件的強度進行對比，得到修理后試件彎曲強度修理恢復率，即修理后試件彎曲強度/完好試件彎曲強度×100%，如表2所示。從表2中可看出，隨著挖補斜度的增大，彎曲強度恢復率也隨之增加，對于[0/90]4S和[±45]4S鋪層的試件，當斜度為1∶10時，修理恢復率最低，分別為39.50%和77.45%；當斜度為1∶25時，修理恢復率最高，分別為62.58%和109.88%。當斜度超過1∶20時，[±45]4S鋪層試件修理恢復率超過了100%，即修理后的彎曲強度高于完好試件的彎曲強度，其原因是隨著斜度的增大，粘接區面積逐漸增大，膠粘劑的強度大于樹脂的強度，使得修理后試件的層間強度高于完好試件的層間強度。

表2 試件彎曲強度修理恢復率

3 破壞形貌

3.1 拉伸試件破壞形貌

圖4和圖5分別為[0/90]4S和[±45]4S鋪層的試件進行拉伸試驗后得到的典型破壞形貌。由圖4可見，當斜度較小時，試件主要從膠層處斷裂，主要表現為膠層失效，只有極少的纖維破壞。當斜度為1∶25時，試件從膠層處斷開的同時會引起大面積的纖維撕裂，纖維撕裂的方向不僅垂直于拉力方向，即試件90°鋪層方向，平行于拉力方向即試件0°鋪層方向也會有少量纖維撕裂，隨著試件挖補斜度的增大，破壞程度也逐漸增加。從圖5中可看出，當斜度為1∶10時，破壞形貌主要表現為膠層失效，并無明顯的纖維撕裂現象發生。當斜度為1∶25時，破壞形貌表現為少部分膠層失效，膠接面出現大面積纖維撕裂，且撕裂出現在試件邊緣處，撕裂方向為±45°方向。隨著試件挖補斜度的增大，纖維撕裂現象更加嚴重。

(a)Scarf ratio 1∶15 (b)Scarf ratio 1∶25

(a)Scarf ratio 1∶15 (b)Scarf ratio 1∶25

3.2 彎曲試件破壞形貌

圖6和圖7分別為[0/90]4S和[±45]4S鋪層的試件進行彎曲試驗后得到的典型破壞形貌。

從圖6中可看出，所有挖補斜度的試件失效形式表現為膠層失效和纖維撕裂。纖維撕裂垂直于試件長度方向，即纖維0°鋪層方向，破壞界面表現為階梯型纖維撕裂，靠近纖維撕裂處會引起少量的纖維分層。隨著挖補斜度的不斷增大，階梯型撕裂長度逐漸增大，纖維撕裂現象更加明顯。

(a)Scarf ratio 1∶15 (b)Scarf ratio 1∶25

從圖7中可看出，當挖補斜度為1∶10時，失效形式表現為膠層失效的同時也會伴隨有少量邊緣纖維撕裂現象，撕裂方向會延續原有試件纖維的鋪層方向。當挖補斜度為1∶25時，膠接面會出現明顯的纖維撕裂現象，且撕裂處伴隨有大量的纖維分層。挖補斜度越大，撕裂程度越嚴重。

從不同鋪層角度和不同挖補斜度的試件破壞形貌可看出，較小的挖補斜度表現為膠層失效，較大的挖補斜度表現為混合失效，即膠層失效和纖維撕裂。其主要原因是當挖補斜度減小，即挖補角增大時，膠層間主要表現為剝離應力，而剪切應力相對較小，所以膠接界面主要表現為膠層失效；當挖補斜度增大，即挖補角較小時，剝離應力和剪切應力同時存在，但剝離應力相對于剪切應力是減小的，所以膠接界面主要表現為混合失效。

(a)Scarf ratio 1∶15 (b)Scarf ratio 1∶25

4 結論

(1)層合板斜面形挖補修理中鋪層角度和挖補斜度直接影響到修理后層合板的力學性能，修理后層合板的強度隨著挖補斜度的增大而增加，根據具體要求，可通過改變挖補斜度等結構參數進行優化設計。

(2)通過對修理后試件進行拉伸和彎曲試驗表明，[0/90]4S鋪層試件拉伸強度修理恢復率為16.63%～50.75%，彎曲強度修理恢復率為39.5%～62.58%；[±45]4S鋪層試件拉伸強度修理恢復率為45.55%～69.89%，彎曲強度修理恢復率為77.45%～109.88%。

(3)不同鋪層角度和不同挖補斜度的試件表現出不同的破壞形貌。挖補斜度較小時，主要表現為膠層失效，隨著挖補斜度的增大，并伴隨有纖維撕裂，且撕裂現象隨著挖補斜度的增加，而愈加嚴重。纖維撕裂方向主要沿著原試件鋪層方向。